高压气态储氢技术是氢能产业未来发展的重要方向

目前储氢方式主要有气态储氢、液态储氢和固态储氢三种。 其中，高压气态储氢是国内应用最广泛的储氢方式，低温液态储氢和固体储氢正逐步进入示范应用阶段。 高压气态氢储存 高压气态氢储存是指通过高压压缩来储存气态氢。 储存方法是利用高压将氢气压缩到容器中，容器通常由钢、铝、碳/玻璃纤维、高分子材料等制成。高压气态氢储存具有技术成熟、成本相对较低的优点。运输成本低，充放电速度快，操作方便快捷。 但由于高压和氢元素的特性，运输材料容易发生氢脆，存在泄漏风险。 同时储氢的体积密度较低。 高压气态氢储存的关键设备是压缩机和储氢瓶。 氢气压缩机的主要作用是通过提高储氢密度和压力，将氢气压缩成高压氢气。 压缩机广泛应用于氢能全产业链。 在制氢过程中，制氢工厂需要将氢气压缩到相应的储氢瓶中； 在管道运输中，需要使用氢气压缩机为运输过程中的氢气提供动力； 氢气被送到加氢站和下游应用后，需要通过压缩机再次压缩和储存。

图1 压缩机应用场景

氢气储存和运输中常用的两种压缩机是隔膜压缩机和液体驱动压缩机。 隔膜压缩机通过液压油的驱动，使隔膜作往复摆动，从而完成吸气、压缩、排气的循环。 隔膜压缩机技术在国内应用已经高度成熟。 具有无气体污染、无泄漏、压缩性好等优点。 已成为当前市场的主流，在氢气压缩机市场中占有70%的市场份额，其中在灌装压缩领域占有70%的份额。 90%以上，在加氢站压缩领域占比60%以上。 液体驱动活塞式压缩机利用液压油驱动活塞往复运动，实现气体压缩。 其结构简单，体积小，启停不影响压缩机寿命。 目前主要应用于撬装式加氢站。

图2 压缩机类型及比较

(1)氢气压缩机逐步向高压、大排量、国产化方向发展。 下游需求迫使压缩机逐渐转向高压、大排量。 随着下游燃油车加氢压力的增加，续航里程不断增加。 加油压力为70MPa的燃油车续航里程是35MPa的1.6倍。 这就迫使加氢站的压缩机必须更换为目前主流的35MPa压缩机。 增加到70Mpa。 同时，为了满足大规模车队在有限场地内加氢的需求，加氢站最好的办法就是增加压缩机的排量。 随着压缩机排气压力和排量的增加，压缩效率有望进一步提高。 液体驱动压缩机在渗透性方面有更大的提升空间。 在大排量压缩机成为未来趋势的背景下，液动压缩机凭借高排量、模块化设计、体积相对较小、维护简单、密封寿命长等特点，近两年受到越来越多的关注。 驱动压缩机的需求预计将保持高速增长。 国产化替代趋势明显。 目前，加氢站压缩机成本约占加氢站建设设备总成本的30%左右。 进口压缩机售价3-500万元，而国产压缩机售价仅1-200万元。 过去，我国加氢站进口压缩机的比例约为70%。 随着国产品牌的技术迭代和产品性价比的提升，目前国产品牌在加氢站的占有率已达到50%。 未来，随着加氢站对压缩机性价比和产品售后维护要求更高，国产品牌的替代空间有望进一步增大。 （2）国内氢气压缩机企业布局正在加速。 随着加氢站的加速建设和制氢项目的快速实施，未来几年氢气压缩机的需求将迎来快速增长。 国内氢气压缩机行业的龙头企业是中鼎恒盛，在大流量氢气加注压缩机领域市场占有率达90%，在加氢站压缩机领域市场占有率达30%。 2021年以来，氢气压缩机企业布局明显加快，多家企业中标氢气压缩机采购项目。

图3 氢气压缩机项目统计

（3）储氢瓶是氢能储存的重要容器。 储氢瓶是氢能储存的重要容器。 高压气态储氢技术通过储氢瓶实现氢气的储存和释放。 根据内部结构选用材料的不同，储氢瓶主要分为纯钢金属瓶（I型）、钢衬纤维缠绕瓶（II型）、铝衬纤维缠绕瓶（III型）和塑料纤维内衬瓶。 环绕式瓶子（IV 型）。 储氢瓶内部主要由内罐、中层、表层三部分组成。 内胆是储氢瓶的核心部件，其主要作用是阻隔氢气。 I、II、III型储氢瓶的内胆大多采用金属材料制成，但氢气与金属材料接触会产生氢脆效应，使金属塑性降低，诱发裂纹甚至开裂。 。 它不适合长期储存。 IV型储氢瓶内胆采用塑料等复合材料制成，具有良好的抗氢渗透性和耐热性。 。 中间层是较厚的耐压层，其主要作用是承受压力。 碳纤维因其良好的拉伸强度和较轻的重量而被广泛用作II、III、IV型瓶的中间层。 表层一般采用玻璃纤维等，包裹材料用于保护内部结构。 （4）储氢瓶将逐步实现从I、II、III型到IV型瓶的产品迭代。 目前，I型和II型储氢瓶技术成熟，成本低廉。 但由于储氢密度低、质量大，氢脆问题严重，难以满足车载储氢要求。 通常用于加氢站等固定储氢领域。 III、IV型高压储氢瓶采用铝合金、塑料内胆、碳纤维等复合材料代替传统金属材料，减少储氢瓶质量，提高单位质量储氢密度。 未来，随着行业对储氢的要求不断提高，储氢瓶将逐步实现从I型、II型到III型、IV型的产品迭代。

图4 I-IV型储氢瓶参数

与IV型储氢瓶相比，储氢质量密度高、成本低的优势明显。 目前35M​​pa III型储氢瓶的成本为3,921美元，而35Mpa IV型储氢瓶的成本为2,865美元，成本降低了27%。 这主要是因为III型瓶储罐使用大量金属铝材料，而IV型瓶使用价格较低的高分子量聚合物且用量较少。 在III型和IV型储氢瓶的成本中，碳纤维复合材料的成本占比最大。 其中，III型储氢瓶碳纤维成本占比66%，IV型储氢瓶碳纤维成本占比78%。 同时，随着储存容量的增加和氢气压力的增加，碳纤维的使用量逐渐增加。 35兆帕Ⅲ储氢瓶碳纤维成本为3084美元，70兆帕Ⅲ储氢瓶碳纤维成本为3921美元，增长27%。 目前IV型瓶已在国外汽车领域得到广泛应用，但国内发展缓慢。 主要原因是国内技术落后，我国氢燃料汽车大部分应用于商用车领域。 商用车对储氢瓶的重量和储氢效率很敏感。 由于密度低，IV型瓶的优势无法体现，而碳纤维材料、碳纤维缠绕设备、高压罐等加工设备对进口的高度依赖也成为阻碍其发展的重要因素。我国的 IV 型瓶。 未来，随着设备和材料逐步实现国产替代和规模化生产，IV型瓶成本预计将下降至III型瓶成本的0.6倍左右，产品迭代也将逐步加速。

图5 III、IV型储氢瓶成本明细

（五）商业应用情况 1、高压气态储氢技术成熟，应用广泛。 目前，高压气态储氢技术主要应用于交通运输领域。 高压储氢瓶用作加氢站和燃料电池汽车中的储氢装置。 2、加氢站通常采用纯钢材质的I型瓶和II型瓶（钢内胆、纤维环向缠绕），工作压力为17.5-30MPa，容积较大。 加氢站配置250kg储氢装置的成本约为17-200万元，折算成单位储氢价格约为6000-8000元/kg。 3、车载储氢瓶主要分为III型瓶和IV型瓶。 III型瓶压力为35MPa，内胆材质为铝合金/钢，包裹材料为碳纤维或碳/玻纤混合复合材料。 IV型瓶压力为70MPa，内胆材质为聚合物（一般包括尼龙、高密度聚乙烯（HDPE）、PET聚酯塑料/PA聚酰胺），外包装材料主要为碳纤维或混合碳/玻璃纤维复合材料。 国内氢燃料电池汽车配备的储氢罐主要为35MPa III型瓶，而70MPa IV型高压储氢罐在国外已投入使用，但国内尚未获得批准。 燃料电池汽车用高压储氢瓶的单价是根据储氢质量计算的。 35MPa单价3500-5000元/公斤，70MPa单价8000-10000元/公斤。

图6 各种高压气态氢储罐的分类及特点

低温液氢储存商业化进一步加速

液氢储存技术采用低温技术将氢气冷却到液化温度（标准大气压，-253℃）以下，并以液态形式储存在高真空绝热容器中。 低温液氢储存的体积储氢密度高。 液氢密度达到70.78kg/m3，约为标准状态下氢气密度的850倍。 适用于距离长、运输量大的场合。 然而，液化过程的能耗非常高。 液化1公斤氢气大约需要11至12千瓦时的电力，而高压气态氢储存只需要大约2千瓦时的电力。 与高压气态储氢相比，低温液态储氢具有更大的质量密度和更高的储氢纯度。 但为了保证低温高压条件，低温液氢储存需要采用保温性能良好的液氢储罐以及严格配套的保温方案和冷却设备。 同时，氢液化项目能耗较大，使得低温液氢储存成本更高。 ，低温液化氢储存的单位成本约为高压气态氢储存单位成本的两倍。 目前，低温液氢储存主要应用于军事航天等对氢气纯度要求较高的领域。 未来，随着液化能耗的降低和保温效率的提高，低温液氢储存的商业化有望加速。

图7 不同储氢技术单位成本对比

商业应用

（1）低温液氢储存技术在美国、日本等已实现大规模商业应用，国内应用首先开始于军事、航天等领域。 随着近年来国内氢能产业的崛起，民用液氢领域现已聚集了中科富海、航天101所、国富氢能、宏达兴业等多家科研机构和企业，并已相关技术多次取得重大突破； 同时，国家发布了液氢生产、储存和运输国家标准，使液氢民用有标可依，实现了我国液氢产业民用领域标准零的突破，为液氢市场化发展提供重要支撑。

（2）液氢罐车价格为350万元/辆，可储存液氢4300公斤。 液化过程耗电量约为15KWh/kg。

（3）2021年1月，清华大学与北汽福田联合推出全球首款35吨、49吨分布式驱动液氢燃料电池重型商用车，并顺利通过综合测试。 2021年2月，上海重塑、弗兰能源、国富氢能、太极动力签署协议，合作推进佛山“液氢储存及加氢站项目”。

固态储氢研发有望加速

根据全球风能理事会（GWEC）发布的《2023年全球风能报告》，2022年全球风电新增装机容量将达到77.6GW，其中陆上风电装机容量为68.8GW； 海上风电装机容量8.8GW。 固态储氢技术是通过物理或化学方法使氢与某些金属或合金反应生成金属氢化物来实现储氢。 生成的金属氢化物加热后放出氢气。 从材料分类来看，有金属合金、碳材料等。金属氢化物合金又可细分为稀土系列、钛铁/锰系列、钒系列和镁系列。 固态储氢的储氢密度可达到标准条件下氢气的1000倍，超过低温液态储氢。

商业应用

（1）综合考虑储氢体积密度和安全性等因素，固态储氢是最有商业发展前景的储氢方式之一。

（2）固态储氢在交通领域起步较早。 氢能自行车、两轮车、燃料电池叉车、加氢站等示范项目。 国内厚普股份等公司也在开发车载固态储氢瓶。 目前钛基储氢装置的价格为2万元/公斤。 未来，希望通过规模化生产，将价格降至8000元/公斤以下。

（3）固态储氢在电力调峰领域也有示范项目，包括华电集团、云南电科院、油研科技集团等，在泸定、昆明、张家口建设了相关示范项目，四川。

（4）在后备电源领域，可应用于数据中心、医院、社区等工商业示范项目。

（5）工业领域：目前化工行业使用高压储气罐，安全性挑战高，复杂性高。 固态储氢可作为长期储存，降低安全压力； 还可实现工业副产氢提纯、储存、运输一体化。 一辆储运车可直接充装提纯1.2吨氢气，获得99.999%的高纯度氢气，有效降低储运成本。

图8 国内固态储氢发展情况

固态储氢具有体积密度高、安全性高、放氢快等优点，适合长距离运输。 根据原理，固态储氢分为吸附储氢和化学储氢两大类。

(1)吸附储氢：利用范德华力将氢气吸附在比表面积大的多孔材料上。 多孔材料可以快速吸收和释放氢气。 同时，物理吸附活化能较小，氢吸附能力仅受储氢材料物理结构因素的影响。 主要吸附储氢材料包括： 1、碳基材料：石墨烯、碳纳米管、富勒烯等； 2、金属骨架化合物（MOF），其具有高孔隙率、高比表面积、高孔径可控性、高孔形状可控性和高官能团可控性； 3.多孔聚合物。

（二）化学储氢：主要材料包括： 1、储氢合金：镁基、LaNi5、TiFe等； 2、配位氢化物：LiBH4等； 3、有机化合物：氨硼烷； 4. 氨基/亚酰胺。 以镁基储氢材料为例，吸氢反应动力学过程可分为四个步骤： 1、氢分子在范德华力的作用下吸附在金属表面； 2、氢分子离解成H原子； 3、H原子从金属表面扩散到内部，进入金属原子结构的间隙； 4. 随着体相中 H 原子浓度的增加，α 相固溶体开始形成。 随着氢原子浓度继续增加，产生β相金属氢化物。 吸放氢是一个多元素、多相的气固反应过程，每个反应阶段都有不同的能垒。 放氢过程：该反应步骤为上述逆反应，需要对储氢材料进行处理，如调节温度、压力等条件。

短期车载储氢满足需求，液氢管道运输趋势明确

（一）车载氢气运输是目前氢气运输的主要方式

目前，随着下游氢能需求不断增加，以及制氢企业和用氢企业分布不均，氢运输已成为氢能发展的关键环节。 氢气的运输占氢气总成本的20%-30%。 氢气的运输方式主要由氢气的储存形式和运输距离决定。 高压气氢储存主要通过长管拖车和管道运输进行。 长管拖车适合短距离、小规模的氢气运输，管道运输适合大规模、长距离的氢气运输。 目前，由于我国氢能处于发展初期，基础设施建设不完善，长管挂车仍是氢气运输的主流选择。 低温液氢储存主要采用液氢罐车运输，适合距离长、运输量大、氢气纯度要求高的氢气运输。 目前，我国液氢罐车运输主要应用于航空航天和军工等细分领域。 国外液氢罐车运输相对成熟且应用广泛。

图9 不同氢气运输方式对比

（二）长管挂车是目前我国氢气运输的主流选择

长管挂车技术成熟，是目前我国氢气运输的主要方式。 制氢装置产生的氢气经压缩机高压压缩后储存在储氢瓶中，然后通过长管拖车运输。 长管挂车通常配备6至10个大容量储氢瓶。 但由于氢气密度低、储氢压力容器重量较大，拖车最终运输的氢气质量仅占总运输质量的1%~2%。 数量约为260-460公斤/车。 长管挂车目前仅适用于运输距离短（运输半径300公里）、运输量不大的运输场景。 随着运输距离从50公里增加到500公里，长管拖车成本从4.3元/公斤增加到17.9元/公斤。 元/公斤，其中人工成本和燃料成本是导致长管挂车成本快速上升的主要影响因素。

图10 随着运输距离的增加，长管拖车成本迅速上升

（3）管道输氢是未来大规模、长距离输氢的必然趋势。

随着未来氢气需求的不断增加，管道输氢是实现大规模、长距离输氢的主要方式。 与长管拖车相比，管道储氢具有运输量大、运距远、能耗损失低、性价比高等多重优势。 但其铺设难度大，投资成本高。 当运输距离从150公里增加到550公里时，氢气管道投资建设成本从9.6亿增加到35.43亿。 我国管道运输研究起步较晚。 氢气管道规模较小，总里程约400公里，在用管道仅约100公里。 主要由中石油、中石化、国家电投等大型国有企业建设，位于化工园区。 主要是内部应用。 海外氢气管道开工较早。 目前，全球输氢管道总里程已超过10万条。 美国输氢管道总里程已超过1万条，位居第一。 欧洲输氢管道长度也达到10万条。 未来，随着氢气需求的不断增加，我国管道输氢的必要性将不断凸显。 根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》，2030年我国氢气管道总长度将达到3000公里。

图11 管道运输初期投资成本较高

（4）短期内管道输氢技术成熟度较低，初期投资成本较高。

目前，制约管道输氢发展的主要因素是技术因素和投资成本因素。 技术方面，由于气体性质、氢掺杂比例、管道材质以及外部环境的差异，进入管道的氢气容易出现氢脆、渗透、泄漏等风险。 因此，未来低成本、高强度的抗氢脆材料和高性能氢能源管道的设计制造技术以及应急和维护技术将成为关键。 同时，我国目前管道复合材料、氢气计量设备阀门、仪表等核心设备材料依赖进口。 未来相关设备国产化有望成为趋势。 在投资成本方面，由于纯氢管道初期投资较大，长距离输氢管道成本约为30万-95万美元/公里，比天然气管道价格高出数倍。 不适合在氢能发展的早期阶段使用。 使用天然气管道。 通过或管网输送加氢天然气，可以充分利用我国现有天然气管道和城市燃气输配管网，有利于氢气的大规模、长距离、低成本输送。 目前，我国已成功启动并运营多个掺氢管道项目。 未来有望快速实现氢掺杂的商业化以及从氢掺杂到纯氢运输的转变。

图12 天然气加氢是目前管道运输的主流选择

（五）未来液氢运输渗透率有望提升

与高压气态氢的储存和运输相比，低温液态氢储存和运输的优点包括运输成本低、纯度高、测量方便。 液氢一般通过车辆或船舶运输。 液氢罐车是液氢运输的关键设备。 当罐车容量为65立方米的罐车可运输4000公斤氢气。 与气氢生产后分散运输相比，液氢一般采用集中生产、统一运输。 当氢被冷冻冷却至20 K并液化时，其能量密度远大于气态氢，因此液体氢所需的道路运输能力要比气态氢少得多。 日本的液态氢和气态氢需要道路车辆运输能力为1：6，而美国的运输能力高达1：20。目前，因为我所在的国家没有先进的大型氢液化厂在总成本方面有优势。 当运输距离从50公里增加到500公里时，液态氢气罐车的运输价格在13.51-14.31元/公里的范围内。 内部略有改进。 但是，美国和日本等发达国家将液体氢的储存和运输成本降低到高压气氢的八分之一。 随着我国的氢液化能力继续增加，预计将来，液态氢的储存和运输将成为我国家的一种氢能运输形式。 重要途径。 （6）随着对氢的需求增加，从长管拖车到管道氢运输的过渡逐渐实现。 氢能运输成本与存储和运输距离以及存储和运输量密切相关。 通过分析三种类型的长管拖车，管道运输和液体氢运输，以短期内比较运输方法的成本，以短距离的较短氢运输（城市300公里以内），成本高压气态长管拖车的低于低温液体存储和运输的成本，这符合当前我国氢能初始开发的要求。 。 在中期，就中等距离（超过300公里的城市间距离）而言，低体温液体储存和运输的成本低于高压气管长管拖车的成本， 。 将来，随着对氢能的需求逐渐增加，氢液化生产能力和技术随着持续改进而持续改进，液态氢储存和运输的渗透率将逐渐增加。 从长远来看，管道运输成本最低。 将来，随着大规模和长距离氢的运输成为一种趋势，管道氢运输将成为主流选择。

图12天然气的氢掺杂是管道运输的当前主流选择